Truyền ỏnh sỏng trong sợi quang

1.5.1. Đặc điểm của ỏnh sỏng

Do ỏnh sỏng cú tớnh súng và tớnh hạt nờn, ỏnh sỏng bức xạ một dải tần số rộng từ 1011 ữ 1015 Hz, được chia thành ba dải ỏnh sỏng lớn:

Dải cực tớm: λ = 100 ữ 380 nm

Dải ỏnh sang trắng (nhỡn thấy): λ = 380 ữ 780 nm Dải ỏnh sỏng đỏ (hồng ngoại): λ = 780 nm ữ 1mm Trong dải hồng ngoại chia ba dải nhỏ

- Hồng ngoại gần cú: λ = 780 ữ 1500 nm - Hồng ngoại giữa cú: λ = 1500nm ữ 1μm - Hồng ngoại xa cú: λ = 6μm ữ 1mm

- Hiện nay trong thụng tin quang sử dụng dải hồng ngoại gần cú:λ = 780 ữ 1500 nmTrong mụi trường đồng nhất thỡ ỏnh sỏng truyền theo đường thẳng, khi gặp mặt phõn cỏch cú chiết suất khỏc nhau, thỡ tia khuc xạ sang mụi trường hai tia phản xạ quay về mụi trường đầu. và cú hiờn tượng phản xạ toàn phần.

Hỡnh 1.21. Nguyờn lý truyền ỏnh sỏng

Nguyờn lý truyền dõ̃n ánh sáng trong sợi quang dựa trờn hiợ̀n tượng phản xạ toàn phõ̀n của tia sáng tại mặt phõn cỏch giữa hai mụi trường trong suốt có chiết suất khỏc nhau. Khi cho một tia sáng đi từ mụi trường có chiết suất n1 vào mụi trường chiết suất n2 (n1>n2) thì tại mặt phõn cỏch giữa hai mụi trường xảy ra hiợ̀n tượng phản xạ và khỳc xạ như Hỡnh 1.3. Dựa vào hiợ̀n tượng phản xạ toàn phõ̀n mà ta có thờ̉ truyền ánh sáng đi trong lõi sợi quang với suy hao thấp, ở đõy n1 là chiết suất của lõi sợi quang n2 là chiết suất của phõ̀n vỏ sợi quang.

Quan hợ̀ giữa gúc tớiθt, gúc khỳc xạ θk với cỏc chiết suất n1 và n2 tuõn theo định luật khỳc xạ (tia sụ́ 1):

n1.sinθt=n2.sinθk (1.4)

Khi tăng gúc tới θt đến một giá trị θ0 nào đú thì tia khỳc xạ khụng đi vào mụi

trường có chiết suất n2 mà đi song song với mặt phõn cỏch hai mụi trường (tia sụ́ 2), gúc θ0 được xỏc định tương ứng với θk =900

, do vọ̃y:

n1.sinθ0= n2.sinθk =n2.sin900= n2 ⇒ sinθ0=n2/n1

(1.5)

θ0=arcsin(n2/n1) (1.6) Nờ́u tiếp tục tăng gúc θt>θ0 thì chỉ còn tụ̀n tại tia phản xạ và hiợ̀n tượng phản

xạ toàn phõ̀n xảy ra (tia sụ́ 3), gúc θ0 gọi là gúc tới hạn. Người ta ứng dụng hiợ̀n tượng

quang phải phản xạ toàn phõ̀n liờn tiếp trờn mặt phõn cỏch giữa lõi và vỏ của sợi quang. Để biểu diờ̃n và phõn tớch sự truyền dõ̃n ánh sáng trong sợi quang người ta có thờ̉ sử dụng phương phỏp quang hỡnh mặc dù nó chỉ mụ tả một cỏch gõ̀n đỳng hiợ̀n tượng. Chính xỏc nhất là sử dụng phương phỏp quang sóng song rất phức tạp.

1.5.2. Nguyờn lý truyền ỏnh sỏng trong lừi sợi quang

Ánh sỏng được đưa từ nguồn sỏng vào lừi sợi quang, cỏc tia sỏng được đưa vào lừi sợi quang tại tõm mặt cắt ngang của sợi quang. Tia khỳc xạ đi được vào lừi sợi quang khi gặp mặt phõn cỏch giữa lừi và vỏ thỡ xuất hiện tia khỳc xạ đi ra ngoài vỏ, tia phản xạ quay trở lại lừi. Khi gặp mặt phõn cỏch giữa lừi và vỏ lần thứ hai, tia khỳc xạ lại đi ra ngoài vỏ, tia phản xạ quay trở lại lừ, cứ như vậy, do phản xạ liờn tiếp nhiều lần tia sỏng đi đến được đầu cuối của sợi quang. Tia sỏng truyền trong lừi sợi quang bằng cỏch phản xạ liờn tiếp nhiều lần tại tiếp giỏp giữa lừi và vỏ. Để khụng tổn hao năng lượng của tia sỏng do tia khỳc xạ thỡ phải thoả món điều kiện phản xạ toàn phần tại bề mặt tiếp giỏp giữa lừi và vỏ. Tỡm điều kiện phản xạ toàn phần tại bề mặt tiếp giỏp giữa lừi và vỏ khi đưa tia sỏng và lừi sợi quang.

Tại điểm đưa tia sỏng vào sợi quang, theo định luật khỳc xạ ta cú:

n0.sinθi = n1.sinθr (1.7)

Hỡnh 1.22. Tia sỏng đi trong lừi sợi quang

Trong đú n0 là chiết suất của khụng khí, θilà gúc tới, θr là gúc khỳc xạ, a là

bán kính lõi sợi quang. Giả sử θ0 là gúc tới hạn, nờ́u θ>θ0 thì tia sáng đi vào lõi sợi

Theo cụng thức 1.3 ta có θ0= arcsin(n2/n1) khi đú gúc khỳc xạ tương ứng với gúc tới hạn θ0 là θr0= 900

- θ0. Do vọ̃y gúc tiếp nhọ̃n θi0 tới hạn sẽ thoả mãn điều kiợ̀n:

n0.sinθi0 = n1.sinθr0 = n1.sin(900

- θ0) = n1.cosθ0 => n0.sinθi0 = n1.cos(arcsin(n2/n1)) = 2 2 2 1 n n − = NA (1.8) Vì chiết suất của khụng khí n0 = 1, nờn:

NA= sinθi0 = 2 2 2

1 n

n − (1.9) NA được gọi là mặt mở sụ́ của sợi quang, gúc tiếp nhọ̃n cực đại của sợi quang θi0 sẽ tạo

thành một hỡnh nón trong đú cỏc tia sáng đi vào tiết diợ̀n của sợi quang với gúc θi>θi0

nằm ngoài hỡnh nón sẽ khụng truyền trong lõi mà đi ra ngoài vỏ sợi quang. Như vọ̃y chỉ cỏc tia sáng nào nằm trong hỡnh nón khi truyền vào sợi quang mới phản xạ toàn phõ̀n liờn tiếp giữa lõi và vỏ và truyền dọc theo sợi quang theo đường zớch zắc.

1.5.3. Đặc tớnh truyền dẫn của sợi quang* Cỏc mode trong sợi quang * Cỏc mode trong sợi quang

Việc giải phương trình Maxwell cho ta xỏc định được cỏc thành phõ̀n sóng ánh sáng truyền trong sợi quang. Nghiợ̀m riờng của phương trình sóng gõ̀n đỳng với cỏc sóng ánh sáng truyền trong sợi quang và được gọi là cỏc mode truyền trong sợi quang. Người ta chỉ quan tõm đến cỏc mode truyền dõ̃n và mong muụ́n trong sợi quang chỉ tụ̀n tại mode truyền dõ̃n. Trong một sợi quang có rất nhiờ̀u mode sóng có thờ̉ truyền lan. Sụ́ mode phụ thuộc vào đường kính lõi sợi quang, vào độ dài bước sóng và mặt mở sụ́ NA. Ta có thờ̉ xỏc định sụ́ cực đại mode trong sợi quang MMSI theo cụng thức sau [2]

Nmod = 12 .V2

(1.10)

* Tán sắc sợi quang

Khi truyền dõ̃n tín hiệu sụ́ qua sợi quang xuất hiợ̀n hiợ̀n tượng dãn rụ̣ng cỏc xung ánh sáng ở đầu thu. Hiợ̀n tượng này gọi là tán sắc trong sợi quang.

Độ tán sắc trờn một đơn vị dài =

L t

Trong đú L là chiờ̀u dài sợi quang, t1 là độ rụ̣ng xung vào ở mức 12 cụng suất,

t2 là độ rụ̣ng xung ra ở mức 21 cụng suất.

Cỏc nguyờn nhõn gõy nờn hiợ̀n tượng tán sắc trong sợi quang có thờ̉ liệt kờ như sau:

- Tán sắc vật liợ̀u

Trong thực tờ́ chờ́ tạo sợi quang chiết suất vật liợ̀u khụng phải là hằng sụ́ mà là hàm số theo bước sóng mà n = n(λ). Nờ́u nguồn quang bức xạ phỏt ra ánh sáng đơn

sắc với duy nhất bước sóng λ0 thì khụng có sự lệch thời gian truyền dõ̃n giữa cỏc phõ̀n

của xung ánh sáng, chúng lan truyền cùng vọ̃n tốc ν =

λ

n c

=const. Tuy nhiờn LED và Laser diode thường bức xạ ra nhiờ̀u bước sóng khỏc nhau gõy nờn hiợ̀n tượng tán sắc vật liợ̀u. Hỡnh 1.23 mụ tả ánh sáng bức xạ của LED và Laser diode.

λ ∆ λ ∆ λ Laser 1-2 nm LED 30-40 nm P( )/Pmax 1 0.5 λ

Hỡnh 1.23. Quan hợ̀ P(λ)/Pmax phụ thuộc vào λ

Độ dãn xung τvl bởi nguồn sáng có độ rụ̣ng phụ̉ xỏc định ∆λ với bước sóng

trung tõm λ0 là: vl τ = 2 2 0 ( ) . λ λ λ λ d n d c L ∆ (1.12)

Trong đú C là vọ̃n tốc ánh sáng trong chõn khụng.

Chỉ đỏng kờ̉ ở sợi đa mode, tán sắc mode là do cỏc thành phõ̀n sóng truyền theo cỏc mode khỏc nhau qua sợi với khoảng thời gian khỏc nhau dõ̃n đến dãn rộng xung.

Độ dãn xung đối với sợi MM-SI là:

mod

τ = (n1 n2)

c L

− (1.13) Độ dãn xung đối với sợi MM-GI là:

mod τ = c n L . 8 . 2 1∆ (1.14)

- Tán sắc đường truyền

Sự truyền dõ̃n cỏc mode trong sợi phụ thuộc vào tỉ lợ̀ d/λ. Cỏc mode truyền dõ̃n

với λ khỏc nhau gõy tán sắc. Khi d lớn dõ̃n đến tán sắc nhỏ. Khi d nhỏ một phõ̀n ánh sáng

còn được dõ̃n trờn vỏ sợi quang gõy tán sắc lớn. Loại tán sắc này có ảnh hưởng lớn đến sợi SM-SI.

- Tán sắc mặt cắt

Trong thực tờ́ khụng chỉ chiết suất thay đổi theo λ mà độ chờnh chiết suất vỏ - lõi cũng biờ́n đổi theo λ gõy tán sắc gọi là tán sắc mặt cắt. Độ dãn xung ra do tán sắc mặt cắt phụ thuộc vào loại chất phụ gia trong quá trình chờ́ tạo sợi và phụ thuộc vào nguồn quang.

* Suy hao sợi quang

Suy hao sợi quang là một yếu tố làm ảnh hưởng tới chất lượng thu. Trong quỏ trỡnh thiết kế và triển khai hệ thống người ta quan tõm tới suy hao trong sợi quang và suy hao do uốn cong sợi quang.

- Suy hao trong sợi quang

Là suy hao do bản chất của sợi quang. Là tham số đúng vai trũ quan trọng trong việc thiết kế hệ thống, xỏc định khoảng cỏch giữa phớa phỏt và phớa thu. Cơ chế suy hao trong sợi quang là suy hao do hấp thụ, suy hao do tỏn xạ và suy hao do bức xạ. Suy hao sợi thường được đặc trưng bằng hệ số suy hao α và được tớnh theo cụng thức sau:

α=  out  in P P L log 10 (1.15)

Trong đú L là chiều dài sợi dẫn quang, Pin là cụng suất quang đầu vào, Pout là cụng suất quang đầu ra, α được tớnh theo dB/km. Suy hao trong sợi quang chủ yếu phụ thuộc vào hấp thụ vật liệu và tỏn xạ Rayleigh.

- Suy hao do hấp thụ vật liệu

Hấp thụ trong sợi quang là yếu tố quan trọng trong việc tạo nờn bản chất suy hao của sợi quang. Hấp thụ chủ yếu do ba cơ chế gõy như sau:

+ Hấp thụ do tạp chất

+ Hấp thụ do vật liệu chế tạo sợi

+ Hấp thụ cực tớm hay cũn gọi là hấp thụ điện tử

- Suy hao do tỏn xạ

Do tớnh khụng đồng nhất trong lừi sợi gõy ra mặc dự rất nhỏ. Đú là do cú những thay đổi rất nhỏ của vật liệu, tớnh khụng đồng nhất về cấu trỳc hoặc cỏc khiếm khuyết trong quỏ trỡnh chế tạo sợi quang. Ánh sỏng truyền trong sợi quang bị tỏn xạ ra cỏc hướng và gõy ra tỏn xạ Rayleigh. Tỏn xạ Rayleigh chỉ cú ý nghĩa khi bước súng ỏnh sỏng cựng cấp với kớch thước của cơ cấu tỏn xạ. Suy hao Rayleigh tỉ lệ nghịch với mũ 4 của bước súng (λ4

).

Hỡnh 1.24 miờu tả cỏc dạng suy hao trong sợi quang theo bước súng đối với sợi quang làm bằng thuỷ tinh thạch anh pha GeO2. Từ đú ta xỏc định được ba vựng bước súng cú suy hao nhỏ gọi là ba vựng truyền dẫn.

Vựng 1: Suy hao chủ yếu do tỏn xạ, một phần do hấp thụ, cú bước súng trong dải

λ=0,8 ữ 0,9àm, α=2 ữ 3 dB/km. Được sử dụng trong cỏc mạng LAN, cỏc đường thuờ bao số dịch vụ băng rộng. Bước súng trung tõm là λ = 0,85àm.

Vựng 2: Suy hao chủ yếu do hấp thụ, cú bước súng trong dải λ=1,2ữ1,35àm,

α=0,3ữ0,5 dB/km. Được sử dụng trong cỏc đường trung kế. Bước súng trung tõm là

λ=1,3àm.

Vựng 3: Đõy là vựng cú suy hao thấp nhất với dải bước súng λ=1,5ữ1,7àm,

súng trung tõm là λ=1,55àm. Đõy là vựng bước súng được sử dụng chủ yếu trong cỏc hệ thống thụng tin quang. Su y ha o (d B /K m ) Bước sóng ( )àm Thực nghiệm Hấp thụ hồng ngoại Tán xạ Rayleigh Hấp thụ cực tím

Sự không hoàn hảo của sợi quang

Hỡnh 1.24. Đặc tớnh suy hao theo bước súng đối với cỏc dạng suy hao

- Suy hao do uốn cong sợi

Là suy hao ngoài bản chất của sợi. Khi bất kỡ một sợi quang nào bị uốn cong theo một bỏn kớnh xỏc định thỡ sẽ phỏt xạ ỏnh sỏng ra ngoài vỏ sợi gõy nờn suy hao tớn hiệu. Cú hai loại suy hao uốn cong là uốn cong vĩ mụ và uốn cong vi mụ. Hiện tượng suy hao do uốn cong cú thể thấy rừ nhất khi gúc tới lớn hơn gúc tới hạn tại cỏc vị trớ sợi bị uốn cong.

CHƯƠNG 2

CễNG NGHỆ GHẫP KấNH THEO BƯỚC SểNG WDM 2.1. Giới thiệu

Ngày nay, dịch vụ thụng tin tăng trưởng nhanh chúng. Để thớch ứng với sự tăng trưởng khụng ngừng của dung lượng truyền dẫn thụng tin và thoả món yờu cầu về tớnh linh hoạt của sự thay đổi mạng, đó xuất hiện cỏc cụng nghệ ghộp kờnh như cụng nghệ ghộp kờnh phõn chia theo tần số quang OFDM, cụng nghệ ghộp kờnh quang phõn chia theo thời gian OTDM, cụng nghệ ghộp kờnh theo bước súng WDM.

Hệ thống WDM dựa trờn cơ sở tiềm năng băng tần của sợi quang để mang đi nhiều bước súng ỏnh sỏng khỏc nhau, điều thiết yếu là việc truyền đồng thời nhiều bước súng cựng một lỳc này khụng gõy nhiễu lẫn nhau. Mỗi bước súng đại diện cho một kờnh quang trong sợi quang. Cụng nghệ WDM phỏt triển theo xu hướng mà sự riờng rẽ bước súng của kờnh cú thể là một phần rất nhỏ của 1 nm hay 10-9

m, điều này dẫn đến cỏc hệ thống ghộp kờnh thep bước súng mật độ cao (DWDM). Cỏc thành phần thiết bị trước kia chỉ cú khả năng xử lý từ 4 đến 16 kờnh, mỗi kờnh hỗ trợ luồng dữ liệu đồng bộ tốc độ 2,5Gbit/s cho tớn hiệu mạng quang phõn cấp số đồng bộ (SDH/SONET: Sychronouns Digital Hierarchy/ Sychronouns Optical Network - cấp số đồng bộ/ mạng quang đồng bộ). Cỏc nhà cung cấp DWDM (Density Wavelength Division Multiplexer) đó sớm phỏt triển cỏc thiết bị nhằm hỗ trợ cho việc truyền nhiều hơn cỏc kờnh quang. Cỏc hệ thống với hàng trăm kờnh giờ đõy đó sẵn sàng được đưa vào sử dụng, cung cấp một tốc độ dữ liệu kết hợp hàng trăm Gbit/s và tiến tới đạt tốc độ Tbit/s truyền trờn một sợi đơn. Cú hai hỡnh thức cấu thành hệ thống WDM đú là:

Truyền dẫn hai chiều trờn một sợi và truyền dẫn hai chiều trờn hai sợi

Với nhu cầu về thụng tin và truyền dẫn thụng tin của con người, đũi hỏi băng thụng truyền dẫn của mạng thụng tin quang phải lớn để đỏp ứng yờu cầu truyền dẫn. Để làm được điều này thỡ cỏc phương phỏp ghộp kờnh đó được nghiờn cứu và đưa vào sử dụng.

2.2.1. Ghộp kờnh phõn chia theo thời gian

Trong kỹ thuật ghộp kờnh theo thời gian, tớn hiệu quang trờn một sợi cỏp được chia sẻ với nhiều kờnh thụng tin thụng qua việc phõn chia thời gian. Trong một khoảng thời gian rất ngắn gọi là khe thời gian, tớn hiệu quang được điều chế lần lượt với tớn hiệu từ cỏc kờnh thụng tin tương ứng. Độ rộng của mỗi khe thời gian phụ thuộc vào nhiều thụng số thiết kế kỹ thuật khỏc nhau, đặc biệt là tốc độ truyền dẫn cần thiết đối với mỗi liờn kết. Mỗi kờnh truyền dẫn được ấn định một khe thời gian cụ thể, gọi là một kờnh TDM, trong khoảng thời gian này, dữ liệu được truyền từ nguồn tới đớch. Dữ liệu từ cỏc nguồn khỏc khụng được phộp truyền trong suốt thời gian này. Thiết bị ghộp kờnh ở phớa phỏt chốn cỏc gúi dữ liệu từ cỏc nguồn khỏc nhau vào sợi cỏp trong cỏc khe thời gian tương ứng. Thiết bị tỏch kờnh ở phớa thu sẽ nhận dạng cỏc khe thời gian, đưa dữ liệu dưới dạng cỏc dũng liờn tục ra cỏc kờnh quang riờng rẽ như ở đầu vào bộ ghộp kờnh ở phớa phỏtNguồn quang sử dụng trong kỹ thuật ghộp kờnh theo thời gian thường là cỏc laser phỏt xung rất hẹp ở tốc độ rất cao, bước súng làm việc thường trong vựng 1550 nm do cú suy hao nhỏ nhất và phự hợp với cỏc bộ khuyếch đại quang sợi sử dụng trong